四臺階開挖法在紫之隧道中的應用及優化

■熊 松

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122)

1 工程概況

1.1 地理位置

紫之隧道位于杭州市西湖區，北端起自天目山路以北紫金港路，沿紫金港路下穿至西溪路，進入山嶺區域靈竺景區，向西繞至大清谷生態區、至梅家塢景區(梅靈南路以西)出山嶺區，向東沿之江路、五浦河向南延伸，終于之浦路，隧道全長13.9km，采用雙線分離式布置，暗埋段最大開挖寬度為12.8m，最大開挖高度為9.7m。

本工程I標段的淺埋暗挖段為西線K0+792.6～K1+530與東線K0+840～K1+570，分別長 737.4m和730m，其中，東線 K1+073～K1+083、西線 K1+033～K1+043 為Ⅵ級圍巖向Ⅴ級圍巖過渡段；西線K1+043～K1+073為Ⅴ級圍巖段(四臺階法試驗段)；東西線剩余為V級圍巖段。

圖1 紫之隧道I標段平面布置

1.2 地形地貌

本場地地貌類型K0+000～K0+860段屬錢塘江沖海積平原地貌，主要為之浦路至五浦河段，地形開闊平坦；K0+860～K1+440段屬湖沼積平原地貌，主要為五浦河至梅靈路段，本地貌單元總體靠近山前，沿山前呈帶狀分布向梅家塢山谷內延伸，地勢平坦；K1+440～K1+530段屬山前沖洪積斜地地貌，主要為梅靈南路西側坡麓地帶，地層主要為坡積、洪積形成的黏性土混碎石、角礫等，均勻性差，局部有一定風化侵蝕變。

1.3 工程地質

V級圍巖段隧道穿越主要地層為：第6層、第12層及第15層。拱頂位置穿越第6層為晚更新世山前沖洪積形成的含黏性土碎石，次棱角狀，大小混雜，均勻性較差；第12層為下白堊統朝川組風化泥質粉砂巖，屬軟質巖類，紫紅色，厚層狀，粉砂結構，巖石強度低，其中全風化近似殘積土狀，自上而下風化呈漸變狀；第15層為玄武玢巖，屬軟質巖類，深灰色，塊狀構造，斑狀構造，裂隙十分發育，質軟，為第三紀噴出巖漿巖，呈小規模巖脈侵入，巖層自上而下風化漸弱。本段隧道開挖面具有一定的自穩性，但軟質巖具有易風化、遇水易崩解的特點。

圖2 工程地質縱斷面

1.4 水文地質

本標段場區為錢塘江水系，沿線河道主要為云棲溪、五浦河(象山浦)，并最終向南匯入錢塘江。本場地潛水位總體埋深較淺，主要接受大氣降水和同層地下側向逕流的補給。工程區地下水的形式與賦存主要受地層巖性、構造斷裂與地形地貌三大因素所控制，本標段第四系地層主要以粘性土類、碎石夾粘性土類為主，富水性很差。

2 施工方案的選擇

考慮到I標段V級圍巖段隧道開挖斷面較大 (開挖斷面尺寸101m2)，埋深較淺(1倍洞寬范圍內)，圍巖自穩性差(上軟下硬、拱頂為第6層含黏性土碎石)等特點，原設計采用CRD工法進行施工。

圖3 CRD工法施工截面

其主要施工步驟：

(1)①一次性開挖，立即施作上半斷面初期支護及中隔墻豎撐及橫撐，豎撐及橫撐均采用I18型鋼；

(2)②一次性開挖，施作初期支護及橫撐；

(3)開挖后行導坑③和④部巖體，立即施作初期支護和豎撐；

(4)仰拱及仰拱填充跟進施工。

原設計工法每部循環進尺按0.5m控制，每部采用預留核心土法開挖，上下臺階間距離控制為0.5B。

經過西線1#、2#導洞進入Ⅴ級圍巖掌子面情況，綜合地質及近期監控量測數據對比分析，掌子面地質情況較好，進入12-2號地層強風化泥質粉砂巖和12-3號地層中風化泥質粉砂巖，圍巖自穩能力較強；地下滲水量較少，開挖掌子面穩定；Ⅵ級向Ⅴ級圍巖過渡段內，洞內收斂、地表及拱頂沉降等監控量測數據日均變化量均在2mm/d以內，均未超警戒值；洞內初期支護結構穩定，未發現明顯裂縫。此外，之江路已于7月初進行了全幅封閉施工，且即將完全穿越之江路，受外圍動載影響已基本消失。

考慮到工期緊迫，原CRD方案施工工序多、工期較長且機械施作空間小，從各方面情況顯示，隧道進入Ⅴ級圍巖段施工后，各方面均處于安全可控狀態下，方案有進一步優化空間。

2.1 方案變更

根據地質情況、現階段施工工況結合監控量測數據，擬對紫之I標淺埋暗挖Ⅴ級圍巖段及Ⅳ級圍巖段 (西線隧道K1+043～K1+530，東線隧道K1+083～K1+570)共計974m進行如下優化：

(1)保持原設計超前支護措施不變。

(2)在地質條件變好，埋深增加的條件下，取消原設計CRD工法中的臨時支護體系，采用四臺階法施工；根據地質變化情況及滿足出渣能力的情況下適當調整臺階高度和拱架分幅；拱腳架立在每臺階堅實的巖層上，控制沉降及收斂等監控量測數據在可控的范圍內；上臺階采用機械開挖，以提高施工進度。

(3)增強部分初期支護體系措施，開挖輪廓線外擴5cm；初期支護噴射砼厚度由30cm調整為35cm；雙層鋼筋網片規格由φ8調整為φ10；拱架中心線外擴2.5cm，根據拱架分幅情況增加連接板和連接螺栓；其余措施與原設計保持一致。

(4)每處鎖腳鎖腰錨管(錨桿)由2根增加為4根。

(5)根據每臺階高度、寬度配備足夠的I18a型工字鋼臨時豎撐和橫撐，根據施工實際情況及監控量測數據，局部設置臨時支撐進行加強。

(6)在初支拱架安裝時，在相鄰拱架單元連接板兩側采用I18型工字鋼進行縱向連接，其余位置按原設計采用φ22鋼筋進行縱向連接。

在取消臨時支撐優化為四臺階法后，洞身周邊土壓力、有效荷載及相應形變等均集中作用在初期支護體系上，為有效抵抗周邊圍巖的土壓力及相應形變，盡可能降低安全風險，通過采取以上措施，增強初期支護體的整體性、強度及剛度，與周邊圍巖形成聯合支護體系。

圖4 四臺階法施工截面

其主要施工步驟：

(1)①一次性開挖，立即施作上半斷面初期支護及上臺階臨時豎撐；

(2)②、③一次性開挖，預留核心土，初期支護接腿；

(3)⑤、⑥一次性開挖，預留核心土，初期支護接腿；

(4)開挖四層臺階⑨，初支封閉成環。

2.2 施工原理及工藝

四臺階開挖法為平行流水作業，通過采用分步平行開挖和施作拱墻初期支護，構成較為穩固的初期支護體系，保護圍巖的天然承載力，有效抑制圍巖變形，在斷層帶、破碎帶等自穩性較差地層和富水地層中，可采用大管棚、小導管預注漿加固、止水等輔助施工措施，此外，通過量測監控系統信息反饋，指導施工和及時調整支護參數與混凝土襯砌時間。

其主要技術特點如下：

(1)施工空間大，大型施工機械可在多個作業面平行施工，工效高。

(2)地質結構復雜多變、軟硬圍巖相間的隧道中，施工工法調整靈活，進度穩定，工期保障性強。

(3)適應不同跨度和多種斷面形式，不需拆除臨時支護，節省工程投資。

(4)利用超前大管棚的施工，能防止拱頂圍巖松弛、地應力擴大、土體塌落等現象。

(5)利用鎖腳錨管表面積較大的特點，憑借鎖腳錨管與土體的摩擦力使初期支護與土體形成一個穩定的整體。

(6)利用上斷面設置臨時豎撐以穩定初期支護，當拱頂圍巖條件改變時，臨時豎撐間距可適當調整。2.3 監測分析

根據四臺階試驗段監測報告，采用變更方案完成初支后，隧道滲水點較多、有掉塊現象，拱架安裝后初支變形較嚴重，拱頂最大沉降達到了138.2mm，最大拱頂沉降出現在K1+057樁號，日沉降量在1mm以內。隧道開挖面的土壓力、挖進速度、注漿量、注漿壓力、出土量等施工參數均正常，地面無明顯裂縫，未見沉陷。

3 開挖方案的再優化分析

考慮到隧道拱頂位于第6層含黏性土碎石中，四臺階法開挖完成上臺階后，頂部初支整體強度較弱，拱頂沉降不能得到很好的控制，此外，根據以往研究，大跨度隧道周邊圍巖會出現更大范圍的塑性區和更大變形，拱頂圍巖存在拉應力區，巖塊崩塌的可能性較大，因而本文擬在四臺階法的基礎上再提出上臺階中隔壁開挖方案，通過及早封閉拱頂，達到控制拱頂沉降、優化結構受力的目的。

圖5 上臺階中隔壁法施工截面

上臺階中隔壁法除上臺階施工措施與四臺階不同，其余臺階均按照四臺階的開挖步驟進行平行流水作業，上臺階不預留核心土，整體一次性開挖，開挖完成后立即對拱頂及臨時仰拱噴射30cm厚C20混凝土進行封閉，減少局部應力過大，與此同時，二、三臺階以及仰拱通過采用分步平行開挖和施作拱墻初期支護，仰拱超前施作及時閉合。

其主要施工步驟：

(1)①一次性開挖，立臨時豎撐和臨時仰拱1～2榀/次；

(2)②③同時交錯掘進，錯開距離3～4榀，每次掘進1～4榀；

(3)④⑤同時交錯掘進，錯開距離3～4榀，每次掘進1～4榀；

(4)仰拱及仰拱填充跟進施工。

4 數值計算對比分析

為對比分析四臺階法與上臺階中隔壁法的結構受力情況，驗證上臺階中隔壁法的優化可能性，選取出現最大拱頂沉降的K1+057斷面進行分析，該斷面隧道埋深12.3m，拱頂為第6層含黏性土碎石，圍巖等級V級，局部拱腰位于12-2強風化泥質粉砂巖中，圍巖等級V級，隧道大部分位于12-3中風化泥質粉砂巖中，圍巖等級IV級，該斷面地質分布見圖4。計算時作如下基本假定：

(1)采用模型的巖體材料性質均假定為均質、各向同性，不考慮節理、層理、剪切帶等地質軟弱面；

(2)外部荷載主要考慮自重作用，即模型所受荷載主要是來自巖體的自重應力；

(3)模型的屈服準則采用較為適用的摩爾-庫侖準則；

(4)邊界選取離隧道中心約4～6D的距離，從計算結果的位移場來看，邊界條件對計算結果的影響可以忽略；

(5)假定彈模、巖體密度、摩擦角、粘聚力等物理參量在計算過程中保持不變，不考慮巖體的致密效果；

(6)系統錨桿及管棚的效果采用提高加固圈物理參數的辦法進行模擬。

圍巖和支護結構計算參數見表1。

圖6 四臺階法與中隔壁法計算模型

表1 數值分析中采用的材料參數表

模擬結果及分析如下：

(1)主應力分布

四臺階法開挖最大主應力發生在拱腰，最大主應力值為1.66MPa，而上臺階中隔壁法開挖最大主應力發生在拱腳，最大主應力值為1.42MPa，均為壓應力；四臺階法開挖最小主應力發生在拱頂，最小主應力值為0.063MPa，而上臺階中隔壁法開挖最小主應力發生在拱頂，最小主應力值為0.009MPa，均為拉應力。

圖7 四臺階法與上臺階中隔壁法最大主應力云圖

圖8 四臺階法與上臺階中隔壁法最小主應力云圖

對比分析兩種開挖方式的主應力分布可以發現，同地層條件下，上臺階中隔壁法開挖較四臺階法開挖最大主應力有明顯減小，從而能更好地避免壓應力集中、減少圍巖塑性區分布；上臺階中隔壁法與四臺階法的最小主應力均出現在拱頂正中位置，上臺階中隔壁法的最小主應力較四臺階法稍大，這是因為在上臺階中隔壁法中上臺階不預留核心土、整體一次性開挖，拱頂應力釋放較快造成的。拉應力的存在，可能造成拱頂巖塊松動，出現塌落現象。對本工程而言，四臺階法與上臺階中隔壁法開挖后，圍巖的拉應力雖然較小，但結合施工過程中滲水點較多、有掉塊現象的情況，仍應充分加強拱頂的噴混質量，保證鋼拱架及臨時支撐能夠及時到位。

(2)位移分布

從圖9、圖10看出，四臺階法與上臺階中隔壁法開挖位移均以豎向位移為主且最大豎向位移均發生在拱頂，四臺階法最大拱頂沉降最大12.3cm，而實測數據為13.8cm，數值計算與實測數據結果較吻合，上臺階中隔壁開挖法的最大拱頂沉降為10.1cm，較四臺階法減少約18%，拱頂及臨時仰拱噴射混凝土的前期封閉成環使得拱頂的初支強度得到了有效加強。

從圖11拱頂位移變化圖中可以看出，由于沒有拱頂與臨時仰拱的封閉成環，四臺階法的前期拱頂沉降較上臺階中隔壁法增長較快。而正因為上臺階中隔壁法中增加了拆除臨時仰拱的這一工序，后期拱頂沉降變化較四臺階法稍大，不利于控制圍巖的變形。因而在上臺階中隔壁法中，臨時仰拱的拆除應引起足夠的重視，在不影響出土效率的前提下，應盡可能將臨時仰拱的拆除工作滯后。

圖9 四臺階法與上臺階中隔壁法開挖豎向位移

圖10 四臺階法與上臺階中隔壁法開挖水平位移

圖11 四臺階法與上臺階中隔壁法拱頂位移變化圖

(3)塑性區分布

從圖12塑性區分布圖中可以看出，四臺階法開挖圍巖塑性區主要出現在拱腰和拱腳兩側位置，塑性區總面積較大，與此同時，拱頂位置出現了大面積的臨塑區；上臺階中隔壁法開挖圍巖塑性區則主要出現在拱腳兩側，分布面積較四臺階法有所減小，與此同時，拱頂位置的臨塑區較四臺階法有明顯減小并集中分布在拱頂正中。

圖12 四臺階法與上臺階中隔壁法開挖塑性區分布

5 結論

本文對杭州市紫之隧道工程I標段V級圍巖段施工工法由CRD調整為四臺階法，結合該標段上軟下硬的圍巖特性以及相應的監測數據，對四臺階開挖法進行分析。同時，在四臺階開挖法的基礎上提出上臺階中隔壁開挖方案并進行了初步分析，擬通過及早封閉拱頂，達到控制拱頂沉降、優化結構受力的目的。

通過研究，形成以下結論：

(1)同地層條件下，上臺階中隔壁法開挖較四臺階法能更好地避免壓應力集中、減少圍巖塑性區分布；

(2)四臺階法與上臺階中隔壁法開挖模擬后，隧道拱頂均出現拉應力，數值雖小，但結合施工過程中滲水點較多、有掉塊現象的情況，施工過程中仍應充分加強拱頂的噴混質量，保證鋼拱架及臨時支撐能夠及時到位。

(3)上臺階中隔壁開挖法的最大拱頂沉降為10.1cm，較四臺階法減少約18%，拱頂及臨時仰拱噴射混凝土的前期封閉成環使得拱頂的初支強度得到了有效加強。

(4)四臺階法的前期拱頂沉降較上臺階中隔壁法增長較快，而上臺階中隔壁法后期由于臨時仰拱拆除造成拱頂沉降變化較四臺階法稍大，不利于控制圍巖的變形，若采用上臺階中隔壁法，在不影響出土效率的前提下，臨時仰拱的拆除工作應盡可能的滯后。

(5)與四臺階法開挖相比，上臺階中隔壁法開挖的圍巖塑性區以及臨塑區的分布面積均有所減小。現階段采用上臺階中隔壁法開挖的實際監測數據表明，采用優化方案后，在拱頂破碎的V級圍巖條件下該工法能夠實現快速掘進并且洞內收斂、拱頂及地表沉降能夠得到有效控制，施工中采用的新工藝和新技術保證措施，對拱頂破碎的大斷面軟巖隧道施工具有參考價值。